為什么需要儲(chǔ)能技術(shù)？
首先，大規(guī)模高效儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源普及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。
風(fēng)能、太陽(yáng)能和海洋能等可再生能源發(fā)電受季節(jié)、氣象和地域條件的影響，具有明顯的不連續(xù)、不穩(wěn)定性。發(fā)出的電力波動(dòng)較大，可調(diào)節(jié)性差。當(dāng)電網(wǎng)接入的風(fēng)電發(fā)電容量過(guò)多時(shí)，電網(wǎng)的穩(wěn)定性將受到影響。目前，可再生能源發(fā)電的大規(guī)模電網(wǎng)接入是制約其發(fā)展的瓶頸。配套大規(guī)模高效儲(chǔ)能裝置，可以解決發(fā)電與用電的時(shí)差矛盾及間歇式可再生能源發(fā)電直接并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)沖擊，調(diào)節(jié)電能品質(zhì)。同時(shí)，儲(chǔ)能技術(shù)在離網(wǎng)的太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電應(yīng)用中具有不可或缺的重要作用。
其次，大規(guī)模高效儲(chǔ)能技術(shù)是構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵。
電力工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步提供了重要保障。智能電網(wǎng)技術(shù)是提高電力系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性、可靠性和電力質(zhì)量的重要技術(shù)，被奧巴馬政府列為經(jīng)濟(jì)刺激方案的重要內(nèi)容。儲(chǔ)能技術(shù)作為提高智能電網(wǎng)對(duì)可再生能源發(fā)電兼容量的重要手段和實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)能量雙向互動(dòng)的中樞和紐帶，是智能電網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
第三，高效儲(chǔ)能系統(tǒng)用于高耗能企業(yè)和國(guó)家重要部門的備用電源。
電解、電鍍及冶金等行業(yè)，電車、輕軌和地鐵等交通部門，都是集中用電大戶。使用儲(chǔ)能電池用“谷電”對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，在高峰期應(yīng)用于生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)，電能的利用效率高，不僅可以減輕電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，還可以降低運(yùn)營(yíng)成本。
高效儲(chǔ)能系統(tǒng)的另外一個(gè)重要應(yīng)用是用作政府、醫(yī)院、軍事指揮部等重要部門的備用電站。在非常時(shí)期保證穩(wěn)定、及時(shí)的應(yīng)急電力供應(yīng)。
有哪些大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)？
至今為止，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種儲(chǔ)能技術(shù)。主要分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能兩個(gè)大類。物理儲(chǔ)能主要包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能和超導(dǎo)磁儲(chǔ)能?；瘜W(xué)儲(chǔ)能主要包括鉛酸電池、液流儲(chǔ)能電池、二次電池(鎳氫電池、鋰離子電池)和鈉硫電池。
根據(jù)各種應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)儲(chǔ)能功率和儲(chǔ)能容量要求的不同，各種儲(chǔ)能技術(shù)都有其適宜的應(yīng)用領(lǐng)域。適合于大規(guī)模儲(chǔ)能的技術(shù)主要有液流電池、鈉硫電池、鉛酸電池、抽水和壓縮空氣儲(chǔ)能。近幾年來(lái)，隨著鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步，鋰離子電池也逐步向用于分散儲(chǔ)能及規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域滲透。
抽水儲(chǔ)能是目前唯一成熟的大規(guī)模儲(chǔ)能方式。它是指在電力負(fù)荷低谷期將水從低水位水庫(kù)抽到高水位水庫(kù)，將電能轉(zhuǎn)化成重力勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放高水位水庫(kù)中的水發(fā)電。抽水儲(chǔ)能的釋放時(shí)間可以從幾個(gè)小時(shí)到幾天，主要用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、非常時(shí)期備用等。其突出優(yōu)點(diǎn)是規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行費(fèi)用低。但抽水儲(chǔ)能電站的建設(shè)受地形制約，建設(shè)周期長(zhǎng)，也會(huì)帶來(lái)一定的生態(tài)問(wèn)題，也受水資源的制約。因此，只能因地制宜適當(dāng)發(fā)展。化學(xué)儲(chǔ)能有何優(yōu)勢(shì)？
鈉硫電池儲(chǔ)能
鈉硫電池以鈉和硫分別用作陽(yáng)極和陰極。氧化鋁陶瓷同時(shí)起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。在一定的工作溫度下，鈉離子透過(guò)電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應(yīng)，形成能量的釋放和儲(chǔ)存。
鈉硫電池最大的特點(diǎn)是：比能量密度高，是鉛酸電池的3~4倍，體積??；可大電流、高功率放電；充放電效率高。且硫和鈉的原料資源儲(chǔ)量豐富。
鈉硫電池的不足之處在于：其正、負(fù)極活性物質(zhì)的強(qiáng)腐蝕性，對(duì)電池材料、電池結(jié)構(gòu)及運(yùn)行條件的要求苛刻；電池的充放電狀態(tài)(SOC)不能準(zhǔn)確在線測(cè)量，需要周期性的離線度量；運(yùn)行溫度在300℃~350℃，需要附加供熱設(shè)備來(lái)維持溫度；并且鈉硫電池僅只在達(dá)到300℃左右的溫度下才能運(yùn)行，由此造成啟動(dòng)時(shí)間很長(zhǎng)，這在一定程度上限制了其應(yīng)用。例如風(fēng)力發(fā)電具有明顯的季節(jié)性和隨機(jī)性，在夏季風(fēng)力資源不佳時(shí)，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)間歇性運(yùn)行，這要求配套的儲(chǔ)能有較好的啟動(dòng)特性。另外，如果陶瓷電介質(zhì)一旦破損形成短路，高溫的液態(tài)鈉和硫就會(huì)直接接觸，發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng)，產(chǎn)生高達(dá)2000℃的高溫，存在嚴(yán)重的安全隱患。
鉛酸電池儲(chǔ)能
鉛酸電池是比較成熟的蓄電技術(shù)，具有價(jià)格低廉、安全性相對(duì)可靠的優(yōu)點(diǎn)。但循環(huán)壽命短、不可深度放電、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)，加上失效后的回收難題，都使得鉛酸電池在規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用還有很長(zhǎng)一段路要走。
鋰離子電池儲(chǔ)能
鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)。其中，液態(tài)鋰離子電池是指Li+嵌入化合物為正、負(fù)極的二次電池。電池正極采用鋰化合物L(fēng)iCoO2 或LiMn2O4等，負(fù)極采用鋰—碳層間化合物。
鋰離子電池具有高儲(chǔ)存能量密度，可達(dá)200～500Wh/L，重量輕，相同體積下重量約為鉛酸產(chǎn)品的1/5～1/6；額定電壓高(單體工作電壓為3.7V或3.2V)，便于組成電池組。并且鋰離子電池產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)較好，這使得鋰電池在車用動(dòng)力電池領(lǐng)域備受青睞。
但鋰離子電池耐過(guò)充/放電性能差，組合及保護(hù)電路復(fù)雜，電池充電狀態(tài)很難精確測(cè)量，成本相對(duì)于鉛酸電池等傳統(tǒng)蓄電池偏高，單體電池一致性及安全性仍不符合要求等因素制約了鋰離子電池在規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。美國(guó)A123公司使用磷酸鐵鋰電池建成1MW(0.5MWh)移動(dòng)儲(chǔ)能電站。但至今未有在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用的實(shí)例。
液流電池儲(chǔ)能
液流電池是電池的正負(fù)極或某一極活性物質(zhì)為液態(tài)流體氧化還原電對(duì)的一種電池。根據(jù)活性物質(zhì)不同，研究較多的液流電池有鋅溴電池、多硫化鈉/溴電池及全釩液流電池三種。其中全釩液流電池被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的液流儲(chǔ)能電池技術(shù)。
全釩液流儲(chǔ)能電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)(大于16000次)、蓄電容量大、能量轉(zhuǎn)換效率高、選址自由、可深度放電、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、安全環(huán)保、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在輸出功率為數(shù)千瓦至數(shù)十兆瓦，儲(chǔ)能容量數(shù)小時(shí)以上級(jí)的規(guī)?；潭▋?chǔ)能場(chǎng)合，液流電池儲(chǔ)能具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是大規(guī)模高效儲(chǔ)能技術(shù)的首選技術(shù)之一。
2005年，日本住友電工公司在北海道為36MW的風(fēng)電場(chǎng)建造了4MW/6MWh全釩液流電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)在3年的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)充放電循環(huán)27萬(wàn)次，對(duì)于平滑風(fēng)電場(chǎng)輸出和儲(chǔ)能發(fā)揮了重要作用。全釩液流儲(chǔ)能電池是目前唯一一種在大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)中進(jìn)行了應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)。日本的示范經(jīng)驗(yàn)表明，液流電池是最適合風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)。
我國(guó)大連化物所與大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司聯(lián)合，采用全釩液流電池實(shí)施了多項(xiàng)“光—儲(chǔ)”、“風(fēng)—光—儲(chǔ)”應(yīng)用示范工程，推動(dòng)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液流電池技術(shù)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初期階段。
但液流儲(chǔ)能電池能量密度和功率密度低。并需要加快工程化和批量化生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步降低成本、提升性能，以滿足液流電池商業(yè)化需要。
大規(guī)模儲(chǔ)能前景何在？
循環(huán)壽命、儲(chǔ)能效率、最大儲(chǔ)能容量、能量密度、功率密度、響應(yīng)時(shí)間、建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本、技術(shù)成熟度等是衡量各種儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)。在不同應(yīng)用場(chǎng)合，關(guān)注的指標(biāo)也不同。如配合風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用的儲(chǔ)能要求容量大、壽命長(zhǎng)、建設(shè)成本和維護(hù)成本合理、并要求響應(yīng)時(shí)間快。但對(duì)于電力調(diào)峰，儲(chǔ)能的響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)就不是很關(guān)鍵，如調(diào)峰電源的響應(yīng)時(shí)間可以為分鐘。因此，各種儲(chǔ)能技術(shù)在不同領(lǐng)域會(huì)找到最適宜的應(yīng)用。
由于我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)起步比較晚，隨著可再生能源的普及應(yīng)用、電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及智能電網(wǎng)的建設(shè)，各種儲(chǔ)能技術(shù)都面臨巨大挑戰(zhàn)和前所未有的發(fā)展機(jī)遇。加大儲(chǔ)能研發(fā)和應(yīng)用示范力度，突破關(guān)鍵技術(shù)；盡快明確國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策和支持措施；建立起儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈，推動(dòng)儲(chǔ)能行業(yè)的健康快速發(fā)展是實(shí)現(xiàn)我國(guó)新能源振興和落實(shí)節(jié)能減排國(guó)策的重要保證。
(作者張華民系“973”大規(guī)模高效液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目首席科學(xué)家，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員，大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司 總工程師)
